高美測(cè)儀LMG600系列SPECpower Benchmark數(shù)據(jù)中心服務(wù)器功耗和能效測(cè)量白皮書

數(shù)據(jù)中?的功率性能?業(yè)基準(zhǔn)測(cè)試——通過(guò)可靠的功率測(cè)量實(shí)現(xiàn)

在當(dāng)今注重能源的世界中，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能效已成為IT基礎(chǔ)設(shè)施的重點(diǎn)。隨著對(duì)數(shù)據(jù)處理需求的增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心消耗了更多的能源，使服務(wù)器運(yùn)行的能效成為評(píng)估現(xiàn)代技術(shù)環(huán)境中服務(wù)器性能的關(guān)鍵因素。因此，有效測(cè)量和基準(zhǔn)化功耗以優(yōu)化服務(wù)器能效的需求比以往任何時(shí)候都更加迫切。

主題

? 什么是 SPECpower benchmark 和 PTDeamon？

? 服務(wù)器性能和服務(wù)器功率有何不同？

? 功率分析儀如何促進(jìn)SPECpower benchmark測(cè)試？

? 有哪些數(shù)據(jù)中心規(guī)劃措施需要考慮？

? 服務(wù)器制造商需要遵守哪些標(biāo)準(zhǔn)？

? 有哪些benchmark基準(zhǔn)測(cè)量將被執(zhí)行，如何執(zhí)行？

? Benchmark基準(zhǔn)測(cè)試的結(jié)果是什么？

挑戰(zhàn)

對(duì)于IT經(jīng)理和數(shù)據(jù)中?運(yùn)營(yíng)商：

?低能耗下的高性能（性能/功率比）

?適當(dāng)?shù)哪芰σ?guī)劃和資源管理

?基礎(chǔ)設(shè)施的低成本和空間要求

?遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)

對(duì)于服務(wù)器級(jí)的計(jì)算機(jī)設(shè)備制造商：

?高能效（每瓦運(yùn)行）

?產(chǎn)品差異化與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

?設(shè)備尺寸小和低噪音

?低產(chǎn)品成本

?遵守行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)

可以采取各種措施來(lái)提高數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的每瓦運(yùn)行。該白皮書從單個(gè)器件的制造商開始，最終延伸到他們的交互和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)中的其他設(shè)施。

解決?案

對(duì)于IT經(jīng)理和數(shù)據(jù)中?運(yùn)營(yíng)商：

?使用虛擬化技術(shù)和工作負(fù)荷整合

?使用高度優(yōu)化和節(jié)能的硬件

?具有功率上限的能源管理軟件解決方案的操作

對(duì)于服務(wù)器級(jí)的計(jì)算機(jī)設(shè)備制造商：

?改進(jìn)的微架構(gòu)（每個(gè)時(shí)鐘周期的任務(wù)）

?動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）

?電源門控和時(shí)鐘門控

?微調(diào)熱效率多核設(shè)計(jì)

?優(yōu)化緩存利用率

?以及更多

如何專業(yè)地提供和驗(yàn)證這些措施，以克服挑戰(zhàn)？

為了解決上述問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)估組織（SPEC）開發(fā)了SPECpower benchmark等工具，提供了測(cè)量服務(wù)器功耗的標(biāo)準(zhǔn)化方法，以提高能源效率。SPECpower benchmark測(cè)試及其接口PTDaemon（功率/溫度程序或PTD）通過(guò)了解服務(wù)器在不同負(fù)載下的功耗性能以及其他選擇標(biāo)準(zhǔn)，幫助IT經(jīng)理、數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商做出更明智的決策。

該白皮書概述了如何在SPECpower benchmarking基準(zhǔn)測(cè)試中使用功率分析儀，特別是我們的LMG600系列，重點(diǎn)介紹確保準(zhǔn)確可靠的功率和能量測(cè)量的關(guān)鍵功能。

知識(shí)點(diǎn)

優(yōu)化能源效率對(duì)數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器制造商至關(guān)重要。IT經(jīng)理和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商專注于虛擬化和節(jié)能硬件，而這里使用的設(shè)備和裝置的制造商則優(yōu)先考慮高效設(shè)計(jì)和降低成本。SPECpower benchmark基準(zhǔn)有助于衡量能耗，并支持明智的決策以提高效率。為了做到這一點(diǎn)并提供可靠和準(zhǔn)確的基準(zhǔn)結(jié)果，使用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量?jī)x器（如我們的LMG600功率分析儀系列）進(jìn)行精確的功率測(cè)量是其中不可或缺的一部分。

SPECpower benchmark基準(zhǔn)-設(shè)置和測(cè)量

SPECpower benchmark（第一個(gè)發(fā)布的名為SPECpower_ssj2008）的基本開發(fā)目的是規(guī)范各種工作負(fù)載中服務(wù)器能效的評(píng)估。它通過(guò)提供一種結(jié)構(gòu)化的方法來(lái)測(cè)量能耗和性能，從而簡(jiǎn)化了比較。

相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)設(shè)置由四個(gè)主要硬件組件組成：

? SPECpower委員會(huì)批準(zhǔn)認(rèn)可的功率分析儀

? 溫度傳感器

? 作為工作負(fù)載的被測(cè)系統(tǒng)SUT (System Under Test as workload)

? 相應(yīng)的控制器

關(guān)鍵的部分是集成精確的功率測(cè)量工具，如ZES ZIMMER高美測(cè)儀的LMG系列功率分析儀，這些儀器得到了SPECpower功率委員會(huì)的正式支持和認(rèn)可，是精確功率測(cè)量的受批準(zhǔn)認(rèn)可的儀器。我們的功率分析儀在服務(wù)器運(yùn)行期間提供精確測(cè)量的有功功率和能量數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商和協(xié)會(huì)能夠 更好地了解其服務(wù)器的性能和能源使用情況，最終幫助他們優(yōu)化系統(tǒng)的效率。

圖1.顯示了包含我們的LMG671功率分析儀的典型SPECpower測(cè)試設(shè)置。

圖1：LMG671功率分析儀與SPECpower benchmark基準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境的集成

在benchmarking基準(zhǔn)測(cè)試期間，每個(gè)設(shè)備都由SPEC的PTDaemon的專用實(shí)例管理。該軟件處理與連接的功率分析儀和傳感器的通信，使被測(cè)系統(tǒng)（SUT）能夠?qū)Ｗ⒂谶\(yùn)行工作負(fù)載任務(wù)。通過(guò)將功率測(cè)量加載到 PTDaemon，SUT不會(huì)負(fù)擔(dān)過(guò)重，從而確保了準(zhǔn)確的能耗讀數(shù)和可靠的性能數(shù)據(jù)。

圖2: SERT 2.0.1軟件PTDaemon設(shè)置向?qū)У慕貓D

在SERT Suite的PTDaemon配置中，可以選擇以下幾個(gè)經(jīng)過(guò)認(rèn)可和測(cè)試的ZES ZIMMER高美測(cè)儀LMG系列功率分析儀：

LMG671使用專用協(xié)議或串口（RS-232）通過(guò)TCP與PTDaemon通信并交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)精確控制和數(shù)據(jù)收集。SPECpower的方法是測(cè)量不同負(fù)載區(qū)域段下的能效，以評(píng)估從滿載到空載的各種條件下的服務(wù)器性能。

在每個(gè)階段，都會(huì)采集功耗數(shù)據(jù)，提供有關(guān)服務(wù)器效率如何隨不同工作負(fù)載變化的詳細(xì)信息。在SUT上完成的工作稱為worklet，可以將多個(gè)worklet分組到一個(gè)工作負(fù)載中。SPEC服務(wù)器效率評(píng)級(jí)工具（SERT）等軟件將多個(gè)worklet集分組到工作負(fù)載中。基準(zhǔn)的11個(gè)階段將目標(biāo)負(fù)載從100%降低到0%（idle），以考慮空載功率下的能耗。如圖3所示，目標(biāo)負(fù)載利用率的順序以10%的增量從100%降低到0%。

圖 3: 負(fù)載利用率區(qū)域段, (Su, et al., 2022)

按遞減順序測(cè)量這些點(diǎn)，可以將每個(gè)級(jí)別的負(fù)載變化限制在10%以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的功率測(cè)量。使用遞增順序會(huì)導(dǎo)致從最終校準(zhǔn)間隔到第一個(gè)目標(biāo)負(fù)載從100%躍降到10%，并在運(yùn)行結(jié)束時(shí)從100%躍降至空載。

知識(shí)點(diǎn)

SPECpower benchmark基準(zhǔn)使用結(jié)構(gòu)化方法對(duì)跨工作負(fù)載的服務(wù)器能效評(píng)估進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

該設(shè)置包括功率分析儀、溫度傳感器、被測(cè)系統(tǒng)（SUT）和控制器。準(zhǔn)確的功率測(cè)量是關(guān)鍵，ZES ZIMMER高美測(cè)儀的LMG系列功率分析儀等工具可提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

PTDaemon管理與功率分析儀的通信，確保SUT處理工作負(fù)載時(shí)讀數(shù)準(zhǔn)確。在不同負(fù)載區(qū)域段

測(cè)量服務(wù)器的功耗，以確定其不同的效率。

工作負(fù)載調(diào)度、結(jié)果采集和測(cè)試執(zhí)行由位于SUT中的Chauffeur框架管理，工作負(fù)載在SUT中執(zhí)行?？刂破骱椭鳈C(jī)之間的通信通過(guò)用于同步和數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行。PTDaemon客戶端API Java模塊，可集成到benchmark基準(zhǔn)測(cè)試中，以簡(jiǎn)化PTDaemo與benchmark基準(zhǔn)測(cè)試代碼之間的通信。

在控制器上，控制器組件與SUT上運(yùn)行的主機(jī)通信。每個(gè)邏輯CPU由主機(jī)分配一個(gè)客戶端，通過(guò)關(guān)聯(lián)提供器綁定到CPU。工作負(fù)載在客戶端上按順序運(yùn)行，通過(guò)運(yùn)行多個(gè)客戶端或使用多線程實(shí)現(xiàn)并行性。功率分析儀測(cè)量SUT的總功耗，而溫度傳感器則確保環(huán)境條件的一致性，減少溫度波動(dòng)帶來(lái)的不準(zhǔn)確。

基準(zhǔn)benchmark的操作階段

基準(zhǔn)過(guò)程benchmark的測(cè)試序列包括三個(gè)主要的操作階段，如圖4所示：

? 預(yù)熱: 在預(yù)熱階段（W），沒(méi)有記錄功率數(shù)據(jù)，需要系統(tǒng)穩(wěn)定，避免瞬態(tài)效應(yīng)。

? 校準(zhǔn): 校準(zhǔn) (Cal. n, n = 校準(zhǔn)迭代)通過(guò)以最大速率生成交易來(lái)確定系統(tǒng)的最大吞吐量

? 測(cè)量: 測(cè)量階段采集實(shí)際性能（工作負(fù)載為每秒操作數(shù)-“ssj_ops”）功率測(cè)量數(shù)據(jù)

每個(gè)階段都包括間隔，包括中間測(cè)量期、測(cè)量前后（PR、PO），以穩(wěn)定功率和性能指標(biāo)。

默認(rèn)測(cè)量在校準(zhǔn)工作負(fù)載的不同級(jí)別（即100%、75%、…、25%）進(jìn)行，并保持120秒的持續(xù)時(shí)間，但可以根據(jù)工作負(fù)載進(jìn)行調(diào)整。在此期間，每秒采集一次功率和溫度數(shù)據(jù)，并使用校準(zhǔn)結(jié)果和目標(biāo)負(fù)載水平計(jì)算交易率。

指定為睡眠（S）階段的負(fù)載水平之間存在延遲，這有助于運(yùn)行后的可視化分析。

在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，LMG671功率分析儀不斷測(cè)量和記錄功耗，提供詳細(xì)的能量使用情況。然而，對(duì)于官方benchmark基準(zhǔn)報(bào)告，使用了測(cè)量期間的平均功耗。所有這些間隔都足夠長(zhǎng)，可以為一致的功率和性能測(cè)量提供足夠的穩(wěn)定時(shí)間。最終，這根據(jù)負(fù)載提供了一個(gè)有意義的性能-功率曲線。

圖4: SPECpower benchmark基準(zhǔn)的功率測(cè)量階段和間隔示例

作為整體工作的輸出，計(jì)算平均性能功率比，反映最終benchmark基準(zhǔn)的結(jié)果。計(jì)算包括單個(gè)性能功率比。示例結(jié)果列于表2中。計(jì)算過(guò)程如下：

表2: SPECpower_ssj2008結(jié)果表單示例

可以看出，在單一性能功率比下，SUT的效率從空閑狀態(tài)提高到100%的目標(biāo)負(fù)載，在80%的工作負(fù)載下分別達(dá)到其最佳比值效率。因此，可以說(shuō)：

SUT每瓦功率產(chǎn)生的ssj_ops越多，SPECpower_ssj2008得分就越高，

因此SUT的效率也就越高！

知識(shí)點(diǎn)

SPECpower benchmark基準(zhǔn)使用結(jié)構(gòu)化方法對(duì)跨工作負(fù)載的服務(wù)器能效評(píng)估進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。該設(shè)置包括功率分析儀、溫度傳感器、被測(cè)系統(tǒng)（SUT）和控制器。準(zhǔn)確的功率測(cè)量是關(guān)鍵，ZES ZIMMER高美測(cè)儀的LMG系列功率分析儀等工具可提供精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

PTDaemon管理與功率分析儀的通信，確保SUT處理工作負(fù)載時(shí)讀數(shù)準(zhǔn)確。在不同負(fù)載區(qū)域段測(cè)量服務(wù)器的功耗，以確定其不同的效率。對(duì)于每個(gè)目標(biāo)負(fù)載，確定的性能（操作次數(shù)）與功率比被平均為最終得分，這指明了SUT的效率。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

EN 303 470 標(biāo)準(zhǔn)專為服務(wù)器制造商、測(cè)試機(jī)構(gòu)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商、IT買家和顧問(wèn)也很有價(jià)值。該標(biāo)準(zhǔn)有助于確保歐盟市場(chǎng)上的產(chǎn)品符合法規(guī)（EU）2019/424中規(guī)定的生態(tài)設(shè)計(jì)要求。LMG671在SPECpower基準(zhǔn)中提供的測(cè)量精度支持EN 303 470的目標(biāo)，幫助用戶根據(jù)可靠、可測(cè)量的能效數(shù)據(jù)做出明智的決策。

結(jié)語(yǔ)

總之，將ZES ZIMMER高美測(cè)儀LMG600系列功率分析儀（如LMG671）集成到SPECpower benchmarking基準(zhǔn)框架中，為精確評(píng)估服務(wù)器能效提供了解決方案。最終，用戶可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)極其重要的結(jié)果，相當(dāng)于將光照射向黑暗，發(fā)現(xiàn)在這個(gè)負(fù)載下，SUT達(dá)到了很高的效率（性能與功率比），以確保在大多數(shù)高效負(fù)載下運(yùn)行。

憑借實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄和靈活的通信接口等先進(jìn)功能，它確保了準(zhǔn)確的測(cè)量，使其成為專注于優(yōu)化能源使用的數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器制造商的重要工具。通過(guò)使用LMG600系列，用戶不僅可以滿足EN 303 470等能效標(biāo)準(zhǔn)， 還可以推進(jìn)更廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。這將帶來(lái)更好的服務(wù)器性能、更低的能耗和更環(huán)保的IT基礎(chǔ)設(shè)施 ——這是遵守法規(guī)和提高長(zhǎng)期效率的關(guān)鍵。

推薦產(chǎn)品

ZES ZIMMER?美測(cè)儀LMG600 系列?精度功率分析儀

行業(yè)應(yīng)?和功率分析儀功能

? 真有效值RMS測(cè)量：

在各種負(fù)載條件下進(jìn)行精確的功率測(cè)量，確保正確記錄計(jì)算機(jī)服務(wù)器中的功率變化。

? 很高的測(cè)量精度：

最高精度為0.015%讀數(shù)，符合SPEC的精度要求。

??速數(shù)據(jù)記錄：

可以通過(guò)通信接口每秒記錄和存儲(chǔ)功率數(shù)據(jù)，以避免偽造的結(jié)果。

? 多帶寬信號(hào)并?處理：

支持同時(shí)測(cè)量和分析每個(gè)通道的多個(gè)功率頻譜（寬帶寬、窄帶寬、基頻）。

? 符合PTDaemon：

與SPECpower的控制軟件無(wú)縫集成，確保支持最新SPEC PTDaemon版本的benchmarking基準(zhǔn)可靠測(cè)試。

? 靈活的通信接?：

為了便于集成到PTDaemon中，支持LAN（千兆以太網(wǎng)）和串口（RS-232）通信，以連接benchmark基準(zhǔn) 的控制器系統(tǒng)和LMG功率分析儀。

參考文獻(xiàn)

J. von Kistowski, K.-D. Lange, J. A. Arnold, S. Sharma, J. Pais, and H. Block, "Measuring and Benchmarking Power Consumption and Energy Efficiency," in *ICPE '18: ACM/SPEC International Conference on Performance Engineering Companion*, Berlin, Germany, Apr. 2018, pp. 9. doi: 10.1145/3185768.3185775.

審核編輯 黃宇